考虑地基水平非均匀分布的机场道面结构设计方法与流程

本发明涉及一种考虑地基水平非均匀分布的机场道面结构设计方法，属于机场道面结构设计技术领域。

背景技术：

目前机场道面结构设计中不考虑地基土体在水平向的非均匀分布，即场地地基按照层状地基进行考虑并不考虑地基土质沿水平方向的变化，将道面基层和土基简化为综合弹簧。实际机场跑道由于地基土体压实施工难以保证，道面地基沿飞机跑道水平方向存在土质差异而引起地基不均匀沉降，是机场道面发生破损并导致道面结构寿命降低的主要原因，同时使机场道面结构维护费用增加。

地基土体水平非均匀分布不仅和土体反应模量变化幅值有关，同时与不同反应模量土体分布范围有关，正是由于该问题的复杂性，所以有必要提出一种考虑地基水平非均匀分布的机场道面结构设计方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可考虑水平地基非均匀分布的机场道面设计方法，从而为机场道面设计提供方法和依据。

为了达到上述目的，本发明提供的考虑地基水平非均匀分布的机场道面结构设计方法包括按顺序进行的下列步骤：

(1)建立飞机荷载-道面结构-水平非均匀地基的道面结构三维数值分析模型，在该模型中用反应模量梯度tk来表征地基土体的水平非均匀分布，以道面板混凝土设计强度fcm作为控制指标，对机场道面结构进行力学响应分析，获得非均匀地基土体时道面板的应力σf，并满足σf小于fcm；

(2)利用步骤(1)建立的道面结构三维数值分析模型，将该模型中的水平非均匀地基按均匀地基考虑，即地基土体采用统一的反应模量，对机场道面结构进行力学响应分析，调整地基土体的反应模量使分析获得的均匀地基土体时道面板的应力和步骤(1)获得的非均匀地基土体时道面板的应力σf相等，定义此时的地基土体的反应模量为等效反应模量k1；

(3)利用步骤(2)获得的地基土体的等效反应模量k1和根据道面结构所在地基土体的最大及最小反应模量而获得的道面结构非均匀地基土体反应模量均值计算出非均匀地基土体的反应模量修正系数ηk；

(4)将步骤(3)获得的非均匀地基土体的反应模量修正系数ηk乘以采用现场承载板试验确定的地基土体的反应模量ko，计算得到水平非均匀地基土体的修正反应模量

(5)利用步骤(4)获得的水平非均匀地基土体的修正反应模量并结合基层的当量厚度，依据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》(mh/t5004-2010)获得基层顶面的反应模量kj，并采用均匀地基飞机道面结构设计方法获得机场道面板的厚度。

在步骤(1)中，所述的建立飞机荷载-道面结构-水平非均匀地基的道面结构三维数值分析模型，在该模型中用反应模量梯度tk来表征地基土体的水平非均匀分布，以道面板混凝土设计强度fcm作为控制指标，对机场道面结构进行力学响应分析，获得非均匀地基土体时道面板的应力σf，并满足σf小于fcm的方法是：采用有限元软件建立飞机荷载-道面结构-水平非均匀地基的道面结构三维数值分析模型，其中地基土体的水平非均匀分布采用反应模量梯度tk，反应模量梯度tk的表达式为：

tk＝(kmax-kmin)/△l

式中，kmax为道面结构所在地基土体的最大反应模量；kmin为道面结构所在地基土体的最小反应模量；△l为地基土体的最大反应模量和最小反应模量区域之间的距离；

利用上述道面结构三维数值分析模型求解出非均匀地基土体时道面板的应力σf，并满足σf小于fcm。

在步骤(2)中，所述的利用步骤(1)建立的道面结构三维数值分析模型，将该模型中的水平非均匀地基按均匀地基考虑，即地基土体采用统一的反应模量，对机场道面结构进行力学响应分析，调整地基土体的反应模量使分析获得的均匀地基土体时道面板的应力和步骤(1)获得的非均匀地基土体时道面板的应力σf相等，定义此时的地基土体的反应模量为等效反应模量k1的方法是：将步骤(1)建立的道面结构三维数值分析模型中的非均匀地基土体用单一的均匀土体模型等效，即道面结构三维数值分析模型中地基土体的反应模量为单一值，对该调整后的道面结构三维数值分析模型进行力学响应分析，并调整地基土体的反应模量使分析获得的均匀地基土体时道面板的应力和步骤(1)获得的非均匀地基土体时道面板的应力σf相等，将此时获得的地基土体的反应模量作为等效反应模量k1。

在步骤(3)中，所述的利用步骤(2)获得的地基土体的等效反应模量k1和根据道面结构所在地基土体的最大及最小反应模量而获得的道面结构非均匀地基土体反应模量均值计算出非均匀地基土体的反应模量修正系数ηk的方法是：利用步骤(2)获得的地基土体的等效反应模量k1，道面结构非均匀地基土体反应模量均值利用下式计算出非均匀地基土体的反应模量修正系数

在步骤(5)中，所述的利用步骤(4)获得的水平非均匀地基土体的修正反应模量并结合基层的当量厚度，依据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》(mh/t5004-2010)获得基层顶面的反应模量kj，并采用均匀地基飞机道面结构设计方法获得机场道面板的厚度的方法是：采用步骤(4)获得的水平非均匀地基土体的修正反应模量并结合基层的当量厚度，依据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》(mh/t5004-2010)的地基反应模量和基层顶面反应模量关系图，获得基层顶面的反应模量kj，根据飞机年平均运行次数、通行宽度及飞机主起落架轮印宽度在内的参数求出飞机累计作用次数ne；此时假定道面板厚度h的取值，并根据基层顶面的反应模量kj、混凝土材料弹性模量、飞机主起落架轮胎压力在内的参数求出飞机容许作用次数ne；当ne/ne＝0.8～1.1时，则上述假定的道面板厚度h的取值合理，即为道面板的厚度，否则应重新估算道面板厚度h的值，直至符合ne/ne＝0.8～1.1，该厚度即为考虑地基土体水平非均匀分布的道面板厚度。

本发明提供的考虑地基水平非均匀分布的机场道面结构设计方法，能够考虑地基土体水平分布非均匀特性，解决了地基土体水平非均匀分布引起地基土体不均匀沉降而造成机场道面结构破损，本发明方法概念清晰，方便工程技术人员在实际工程中应用，采用本发明方法可以提高我国机场道面结构的使用寿命，并降低机场道面维护费用。

附图说明

图1是本发明提供的考虑地基水平非均匀分布的机场道面结构设计方法的反应模量梯度示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的考虑地基水平非均匀分布的机场道面结构设计方法做出详细说明。

本发明提供的考虑地基水平非均匀分布的机场道面结构设计方法包括按顺序进行的下列步骤：

采用有限元软件建立飞机荷载-道面结构-水平非均匀地基的道面结构三维数值分析模型，其中地基土体的水平非均匀分布采用反应模量梯度tk，反应模量梯度tk的表达式为：

tk＝(kmax-kmin)/△l

式中，kmax为道面结构所在地基土体的最大反应模量；kmin为道面结构所在地基土体的最小反应模量；△l为地基土体的最大反应模量和最小反应模量区域之间的距离；如图1所示。

利用上述道面结构三维数值分析模型求解出非均匀地基土体时道面板的应力σf，并满足σf小于fcm。

将建立的道面结构三维数值分析模型中的非均匀地基土体用单一的均匀土体模型等效，即道面结构三维数值分析模型中地基土体的反应模量为单一值，对该调整后的道面结构三维数值分析模型进行力学响应分析，并调整地基土体的反应模量使分析获得的均匀地基土体时道面板的应力和步骤(1)获得的非均匀地基土体时道面板的应力σf相等，将此时获得的地基土体的反应模量作为等效反应模量k1。

利用上述地基土体的等效反应模量k1，道面结构非均匀地基土体反应模量均值利用下式计算出非均匀地基土体的反应模量修正系数

采用上述获得的水平非均匀地基土体的修正反应模量并结合基层的当量厚度，依据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》(mh/t5004-2010)的地基反应模量和基层顶面反应模量关系图，获得基层顶面的反应模量kj，根据飞机年平均运行次数、通行宽度及飞机主起落架轮印宽度在内的参数求出飞机累计作用次数ne；此时假定道面板厚度h的取值，并根据基层顶面的反应模量kj、混凝土材料弹性模量、飞机主起落架轮胎压力在内的参数求出飞机容许作用次数ne；当ne/ne＝0.8～1.1时，则上述假定的道面板厚度h的取值合理，即为道面板的厚度，否则应重新估算道面板厚度h的值，直至符合ne/ne＝0.8～1.1，该厚度即为考虑地基土体水平非均匀分布的道面板厚度。